DE1047265B

DE1047265B - Transistorschaltungsanordnung zur Erzeugung sinusfoermiger Schwingungen

Info

Publication number: DE1047265B
Application number: DEN12464A
Authority: DE
Inventors: Eric Wolfendale
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1955-07-11
Filing date: 1956-07-07
Publication date: 1958-12-24

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Transistorschaltungsanordnung· zur Erzeugung wenigstens nahezu sinusförmiger Schwingungen mit einer Frequenz, die mindestens einige Male höher ist als die a-Grenzfrequenz des Transistors.

Bei Untersuchungen mit Grenzschichttransistoren ergibt es sich, daß sie eine Anzahl verschiedener Umkehrspannungen aufweisen, bei denen der Kollektorstrom schnell zunehmen kann. Dieses Verhalten äußert sich in der Kollektorstrom-Kollektorspannungs-Kennlinie (I_c —V_c) der Fig. 1 der Zeichnung. Von diesen Spannungen ist V₂ die bekannte Kollektor-Basis-Umkehrspannung, bei der der Strom zwischen den Basis- und Kollektorelektroden bei ausgeschalteter Emitterelektrode schnell zunimmt. Diese ist längere Zeit als die »Zener«-Spannung bezeichnet, da die Umkehrung dem Zener-Effekt zugeschrieben wurde.

Die Umkehrspannung V_B ist die sogenannte »Lawinen«-Spannung. Sowohl V₂ als auch V_B entsprechen dem Emitter-Nullstrom (Ie=O). Die Fg-Kennlinie entsteht dadurch, daß jedes Elektron oder jedes Loch, das in die Erschöpfungszone zwischen der Basis und dem Kollektor hineindringt, von dem darin auftretenden elektrischen Felde beschleunigt wird und gegen einen Kern stoßen kann und ein aus einem Elektron und einem Loch bestehendes Paar erzeugen kann, welche Paare auch beschleunigt werden und weitere ähnliche Paare durch Anstoßen erzeugen können. Infolgedessen tritt eine Vervielfachung der Ladungsträger mit einem Faktor

M =

\v,l

auf, wobei V_c die wirkliche Kollektorspannung und η eine Konstante bezeichnen, die z. B. im Falle eines pnp-Grenzschichttransistors und bei üblicher Stromdichte etwa gleich 3 ist.

Bei jedem Transistor hat entweder V₂ «der V_B je nach dem Widerstandswert ρ des Basismaterials den niedrigeren Wert. Daher tritt in der Praxis nur die Umkehrspannung mit dem niedrigeren Wert auf, aber die Stromvervielfachung mit dem Faktor M tritt in allen Fällen ein.

Es tritt noch eine dritte Umkehrspannung V_x bei ausgeschalteter Basis (Basisstrom I_b = 0) auf, da der Emitterstrom in der Erschöpfungsschicht mit einem Faktor M vervielfacht wird, so daß α bei zunehmender Kollektoorspannung zunimmt.

Wenn α dem Wert 1 zustrebt, so strebt a [— ) einem unendlichen Wert zu, was in dem Diagramm Transistors chaltungs anordnung

zur Erzeugung sinusförmiger

Schwingungen

Anmelder:

N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken,
Eindhoven (Niederlande)

Vertreter: Dipl.-Ing. K. Lengner, Patentanwalt,
Hamburg 1, Möndcebergstr. 7

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 11. Juli 1955

Eric Wolfendale, Smallüeld, Horley, Surrey

(Großbritannien),
ist als Erfinder genannt worden

nach Fig. 2 angegeben ist. Da I_c bekanntlich gleich (a'+I)Zc₀ ist, strebt er gemeinsam mit α einem unendlichen Wert zu, und die Umkehrspannung V_x tritt auf, wenn α den Wert 1 erreicht.

In der älteren Patentanmeldung N 12393 Villa/ 21a¹, 36 e (DAS 1 035 695) wurde bereits vorgeschlagen, einen Grenzschichttransistor in dem Gebiet zwischen den V_x- und V_B- oder F"_z-Kennlinien anzuwenden, in welchem er infolge der Vervielfachung der Ladungsträger in der Erschöpfungsschicht eine Stromverstärkung α von mehr als 1 aufweist; in dieser Hinsicht wirkt er auf eine der eines Punktkontakttransistors ähnliche Weise. Wenn man unter diesen Verhältnissen eine Impedanz hinreichenden Wertes zwischen der Basis und dem Emitter eines Grenz-Schichttransistors anbringt und eine in bezug auf die Kollektor-Basis-Grenzschicht rückwärts gerichtete Spannung gleich V_B oder V₂ oder höher als diese Werte zwischen den Kollektor- und Emitterelektroden über eine Belastungsimpedanz anlegt, erzeugt der infolge dieser Spannung entstehende Basisstrom über der Basis-Emitter-Impedanz eine Vorwärtsvorspannung, die schließlich eine anfängliche, rückwärts gerichtete Basisvorspannung überwindet, so daß ein Emitterstrom zu fließen anfängt. Da der Emitter-Kollektor-Stromverstärkungsfaktor α in dem betreffenden Gebiet größer als 1 ist und da die Basis-Emitter-Impedanz somit eine regenerative Wirkung hat, nimmt dieser Emitterstrom zu bis die Kollektor-Emitter-Spannung auf den Wert der Umkehrspan-

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nung V_x des Transistors gesunken ist, wobei α wieder kleiner als 1 oder gleich 1 wird.

Bei dynamischer Wirkung kann ein größerer Spannungsabfall über der Belastung durch Anhäufung von Ladungsträgern in dem Transistor erhalten werden und diese Wirkung kann mittels eines Kondensators zwischen dem Kollektor und dem Emitter erzielt werden. Man braucht jedoch einen großen Kondensator von etwa lOOOpF, um einen Spannungsabfall bis etwa auf die Kollektor-Nullspannung zu erzielen. Es ist ersichtlich, daß dieser Kondensator die Betriebsfrequenz, z. B. die Wiederholungsfrequenz der durch die Schaltung erzeugten Impulse begrenzt.

Bei der Transistorschaltungsanordnung nach der Erfindung ist der Transistor ein Grenzschichttransistor, der in dem Gebiet zwischen den V_x- und V_B- oder /^-Kennlinien betrieben wird. Diese Schaltungsanordnung enthält Vorspannungsmittel, durch welche eine in bezug auf die Kollektor-Basis-Grenzschicht rückwärts gerichtete Spannung, die wesentlich höher ist als die Umkehrspannung des Transistors bei Basisstrom Null, zwischen der Kollektorelektrode des Transistors einerseits und seinen Emitter- und Basiselektroden andererseits über eine Belastungsimpedanz zugeführt wird, so daß ein Entladungsstrom durch den Transistor auftritt und die Spannung· zwischen Kollektor- und Emitter- und Basiselektroden herabsinkt und sich wiederholende, steil ansteigende Impulse erzeugt werden.

Die Anordnung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannungsmittel eine Vorspannungsquelle und Mittel zur Überlagerung von Spannungsinipulsen auf die Spannung dieser Vorspannungsquelle enthalten, so daß die steil ansteigenden Impulse sich im Takte dieser Spannungsimpulse wiederholen, und daß ein Resonanzkreis mit einer Resonanzfrequenz gleich der Frequenz der gewünschten Schwingungen mit dem Kollektor-Emitter-Kreis des Transistors derart gekoppelt ist, daß er durch die steil ansteigenden Impulse periodisch angeregt wird.

Es ist zwar bereits eine Transistorschaltungsanördnung zur Impulserzeugung bekannt, deren Kollektor im wesentlichen Maße negativ vorgespannt ist und deren Basis-Emitter-Strecke in den Intervallen zwischen den Impulsen gesperrt ist. Hierbei erfolgt in bekannter Weise die Rückkopplung für die Impuls-: erzeugung mit Hilfe eines im Basiszweig liegenden Widerstandes, während die Impulswiederholungsfrequenz durch, ein im Emitterzweig eingeschaltetes i?C-Glied bestimmt wird. Bei solchen Anordnungen erfolgt die Einleitung der Impulse durch eine allmählich abklingende Gegenspannung im Emitterzweig, so daß die Flankensteilheit der erzeugten Impulse nicht sehr hoch ist und auch die Wiederholungsfrequenz relativ niedrig bleiben; muß; die Amplituden von Harmonischen, die die Grenzfrequenz wesentlich übersteigen, sind daher nur sehr klein. Bei einer Anordnung nach, der Erfindung erfolgt die Rückkopplung durch Impulse, und es wird der Durchschlageffefet ausgenutzt; daher werden. Impulse sehr hoher Flanr kensteilheit im Transistor erzeugt, die eine ziemlich hohe Grundfrequenz haben können und Harmonische hoher Ordnung mit kräftiger Amplitude enthalten.

Eine bevorzugte Ausführungsform dieser Schaltungsanordnung gründet sich, auf die Tatsache, daß, wenn die Basisschicht des Transistors ein« verhältaisr mäßig geringe Dicke und/oder Leitfähigkeit: besitzt, wie z.B. im Falle von Transistoren für hohe Frequenzen, eine weitere Umkehrung bei- einer Spannung zwischen V_x und Vβ oder V₂ (je nachdem welche niedriger ist) auftritt, wenn der Emitter-Basis-Kreis des Transistors geschlossen ist und das Feld zwischen der Basis und dem Kollektor die plötzliche Zunahme des Kollektorstroms bei der dritten niedrigsten Umkehrspannung V_x verhindert. Weder eine Impedanz noch eine rückwärts gerichtete Vorspannung zwischen der Basis und dem Emitter sind erforderlich, um diese neue Umkehrung eintreten zu lassen. Es wird angenommen, daß die Erschöpfungsschicht des Kollektors sich über die Basis bis zum Emitter erstreckt und daß eine sogenannte »Durchstich-Umkehrung« (punch-through turnover) auftritt. Man hat festgestellt, daß, wenn diese vierte Umkehrspannung oder Durchstichspannung Vp wesentlich höher ist als V_x, der Vervielfachungsfaktor M erheblich höher als 1 ist und der Kollektorstrom I_c sehr plötzlich bis in ein Gebiet sehr großer Stromintensitäten ansteigt und die Umkehrkennlinie Vp der Fig. 3 der Zeichnung durch eine bisher unbekannte Durchschlagskennlinie V_w verlängert wird, längs welcher die Kollektor-Emitter- und Basisstrecken des Transistors einen erheblichen negativen Widerstand aufweisen. Diese statische Durchschlagskennlinie erstreckt sich bis zu einem Spannungswert, der niedriger ist als der der Umkehrspannung V_x bei offenem Basiskreis.

Es hat sich ergeben, daß die Zunahme des Kollektorstroms längs der Vp- und PV-Kennlinien ^s*^ch ^VK^ schneller vollzieht als längs jeder bekannten Umkehrkennlinie und daß das Feld zwischen dem Kollektor und der Basis aufhört, den Kollektorstrom zu steuern, sobald die Spannung Vp erreicht ist und der Kollektorstrom steil ansteigt, wobei der Kollektorstrom und die Kollektorspannung des Transistors sich auf ähnliche Weise ändern wie die Anodenspannung und der Anodenstrom einer Gasentladungsröhre nach Zündung derselben.

-." Da die statische J^u^Keiinlinie·sich bis zu niedrigen Spannungswerten bei hoher Stromintensität erstreckt und da infolge der Raumladung oder Anhäufung von Ladungsträgern die dynamische K^Kennlinie sich praktisch sogar bis zu Nullwerten der Spannung erstreckt, kann der Transistor längs der erwähnten, Kennlinie mit geringerer Gefahr der Vernichtung oder Beschädigung infolge Überlastung oder Überdissipation betrieben werden.

Die F^Durehsehlägskennlinien entsprechen einer konstanten Basis-Emitter-Vorspannung, und es hat sich ergeben, daß, wenn eine Impedanz, die einen bestimmten Wert überschreitet, in den Basis-Emitter-Kreis, jedoch nicht in den Kollektor-Emitter-Kreis, eingefügt wird, der zunehmende Strom zwischen dem Kollektor und der Basis eine Vorwärtsvorspannung überwindet., so daß dia DurehscWagskennlinie V_w bei einem niedrigeren Wert: des Kollektorstroms anfängt und/oder sich weiter oder schneller nach dem Zustand niedrigen Kollektor-Emitter-Spanirangsverhältnissen erstreckt. Dann tritt der Durchschlag auf einer Kennlinie höheren negativen Widerstandes, auf, welche Kennlinie einen Satz von Fß^-Kurven schneidet, die alle auf derselben- Fp-Kurve,. aber bei verschiedenen Kollektotstromwerten anfangen,, welche Kurven je einer bestimmten Basis-Emitter-Vorspannung entsprechen;..

Demgemäß' ist die erwähnte, bevorzugte Form vorstehend ' geschilderter Art. dadurch gekennzeichnet, daß. der Emitterkreis des Transistors praktisch keinen Gleichspannungswiderstaird' zwischen der Emitterelektrode und dem Kreis der Basiselektrode des Transistors enthält, daß die erwähnte, in bezug auf die Kollektor-Basis-Grenzsehkht: rückwärts gerichtete

Spannung niedriger ist als die Umkehrspannung des Transistors bei offenem Emitterkreis und daß die Basissdücht des Transistors «ine so geringe Dicke und/oder Leitfähigkeit besitzt, daß das Anlegen der erwähnten rückwärts gerichteten Spannung zwischen der Kollektor- und den Basis- und Emitterelektroden eine Stromentladung hervorruft, die aufrechterhalten wird, bis die Kollektor-Emitter-Spannung auf einen Wert herabgesunken ist, der wesentlich niedriger ist als der kennzeichnende Umkehrwert bei Basisstrom Null, wobei sich wiederholende Impulse mit einer sehr steil ansteigenden Vorderflanke erzeugt werden.

Bei bestimmten Aasführungsformen enthalten die Vorspannungsmittel eine Gleichspannungsquelle, deren Spannung wesentlich höher ist als die Umkehrspannung bei Basisstrom Null, z. B. höher als die V_B- oder f VUmkehrspannung oder auch höher als die Umkehrspannung Vp, so daß die Schaltung zur Erzeugung von Impulsen frei schwingend ist. Da die erwünschten Schwingungen in einem Resonanzkreis auftreten, können im allgemeinen sinusförmige oder nahezu sinusförmige Schwingungen erhalten werden. Da außerdem die im Transistorkreis erzeugten Impulse eine Sägezahn- oder ähnliche Form mit vielen Harmonischen aufweisen, kann der Resonanzkreis auf eine Frequenz abgestimmt werden, die ein vielfaches -der Impulswiederholungsfrequenz ist. Die Impulswiederholungsfrequenz kann z. B. bei einem Grenzschichttransistor für hohe Frequenzen 10 MHz betragen und der Resonanzkreis kann auf die. achte oder neunte Harmonische abgestimmt werden, wobei eine Sinusspannung mit einer Frequenz von etwa 80 oder 90⁷MHz erhalten wird.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Transistorschaltungsanordnung nach der Erfindung ist schematisch in Fig. 4 dargestellt.

Die Schaltungsanordnung nach Fig. 4 enthält einen pnp-Grenzschichttransistor T, dessen Kollektor über eine Belastungsimpedanz Rc mit der Minusklemme einer in bezug auf die Kollektor-Basis-Grenzschicht rückwärts gerichteten Gleichspannungsquelle Ec verbunden ist. Der Emitter dieses Transistors ist mit einer Anzapfung der Induktivität L10 eines Resonanzkreises LlO—ClO verbunden, von dem ein Ende mit Erde und mit der Plusklemme der Quelle Ec verbunden ist. Da der Emitter mit der Anzapfung von L10 verbunden ist, bildet der Teil von L10 zwischen dieser Anzapfung und Erde einen Emitterkreis, der praktisch keinen Gleichstromwiderstand und eine sehr niedrige Impedanz zwischen der Emitterelektrode und dem Kreis der Basiselektrode des Transistors besitzt. Letzterer Kreis enthält einen Widerstand Rb, der eine regenerative Wirkung in dem Gebiet ausübt, in dem der Transistor einen Emitter-Kollektor-Stromverstärkungsfaktor α größer als 1 aufweist. Ferner ist eine Quelle von Rückwärtsvorspannung Eb vorgesehen, deren Plusklemme mit der Basis über den Widerstand Rb verbunden ist, während die Minusklemme geerdet ist.

Ein Ende einer Verzögerungsleitung Ll bis L4, Cl bis C3 ist an den Belastungswiderstand Rc über einen Sperrkondensator Co angeschlossen. Das andere Ende dieser Verzögerungsleitung' ist in 5* kurzgeschlossen, um dem Kollektorkreis des Transistors T entnommene Impulse zu reflektieren und außerdem umzukehren. Der abgestimmte Kreis L10-C10 ist auf eine Harmonische der Impulswiederholungsfrequenz der annähernd sägezahnförmigen Spannung am Kollektor abgestimmt; diese Spannungsform ist neben dem Kollektor angedeutet.

Es ist ersichtlich, daß man auch einen Punktkontakttransistor in einer entsprechenden Schaltungsanordnung erfolgreich anwenden kann. Es wird jedoch ein Grenzschiehttransistor bevorzugt. Die Spannung der Gleichspannungsquelle Ec ist wesentlich höher als die Umkehrspannung V_x des Transistors bei Basisstrom Null und niedriger als die Umkehrspannung V_B oder Vi bei- Emitterstrom Null, und der Widerstand Rb ist hinreichend niedrig, um eine plötzliche Zunahme des Stroms bei der Umkehrspannung V_x zu verhüten.

Wenn die Spannung der Quelle Ec niedriger ist als die Umkehrspannung Vp, können Schwingungen durch einen Anlaßimpuls erzeugt werden, der auf die erwähnte Spannung überlagert und z. B. an dem Emitter angelegt wird, und man kann ein sinusförmiges Signal von demselben Punkt oder z. B. über eine induktive Kopplung mit der Spule L10 erhalten.

Bei einer Abart der Schaltungsanordnung nach Fig. 4 kann der Kurzschluß S durch einen Abschlußwiderstand ersetzt werden, dessen Verbindung mit L 4 kapazitiv auf dem Emitter zurückgekoppelt ist. Wenn die Schaltungsanordnung freischwingend ist und wenn die Verzögerungszeit der Verzögerungsleitung kürzer als eine Sägezahnperiode ist, wird die Verzögerungsleitung und nicht die Spannung -Ec die Frequenz bestimmen, so daß die Konstanz und die Steuerung der Sägezahn- und der Sinusschwingungen verbessert werden.

Claims

Patentansprüche;

.1. Transistorschaltungsanordnung zur Erzeugung wenigstens nahezu sinusförmiger Schwingungen mit einer Frequenz mindestens einige Male höher als die a-Grenzfrequenz des Transistors, mit Vorspannungsmitteln, durch welche eine in bezug auf die Kollektor-Basis-Grenzschicht rückwärts gerichtete Spannung, die wesentlich höher ist als die Umkehrspannung des Transistors bei Basisstrom Null, zwischen der Kollektorelektrode des Transistors einerseits und seinen Emitter- und Basiselektroden andererseits über eine Belastungsimpedanz zugeführt wird, so daß ein Entladungsstrom durch den Transistor auftritt und die Spannung zwischen Kollektor- und Emitter- und Basiselektroden herabsinkt und sich wiederholende, steil ansteigende Impulse erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannungsmittel eine Vorspannungsquelle und Mittel zur Überlagerung von Spannungsimpulsen auf die Spannung dieser Vorspannungsquelle enthalten, so daß die steil ansteigenden Impulse sich im Takte dieser Spannungsimpulse wiederholen, und daß ein Resonanzkreis mit einer Resonanzfrequenz gleich der Frequenz der gewünschten Schwingungen mit dem Kollektor-Emitter-Kreis des Transistors derart gekoppelt ist, daß er durch die steil ansteigenden Impulse periodisch angeregt wird.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitterkreis des Transistors praktisch keinen Gleichspannungswiderstand zwischen der Emitterelektrode und dem Kreis der Basiselektrode des Transistors enthält, daß die erwähnte, in bezug auf die Kollektor-Basis-Grenzschicht rückwärts gerichtete Spannung niedriger ist als die Umkehrspannung des Transistors bei offenem Emitterkreis und daß die Basisschicht des Transistors eine so geringe Dicke und/oder Leitfähigkeit besitzt, daß das Anlegen der erwähnten

rückwärts gerichteten Spannung zwischen der Kollektor- und den Basis- und Emitterelektroden eine Stromentladung· hervorruft, die aufrechterhalten wird, bis die Kollektor-Emitter-Spannung auf einen Wert herabgesunken ist, der wesentlich niedriger ist als der kennzeichnende Ümkehrwert bei Basisstrom Null, wobei sich wiederholende Impulse mit einer sehr steil ansteigenden Vorderflanke erzeugt werden.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung der erwähnten Vorspannungsquelle wesentlich höher ist als die erwähnte Umkehrspannung bei Basisstrom Null, so daß die Anordnung frei schwingend ist und durch die Spannungsimpulse der Überlagerungsmittel synchronisiert wird.
4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung der erwähnten: Vorspannungsquelle kleiner ist als die erwähnte Umkehrspannung bei Basisstrom Null und daß aa Mittel vorgesehen sind, durch die ein Spannungsimpuls auf die Spannung der erwähnten Quelle zur Einleitung einer ersten Entladung überlagert wird.
5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verzögerungsleitung mit dem Kollektor-Emitter-Kreis des Transistors gekoppelt und dazu eingerichtet ist, diesem Kreis einem verzögerten Spannungsimpuls zurückzuführen, um einen weiteren steilen Impuls zu erzeugen, so daß sich wiederholende Impulse mit einer durch die erwähnte Verzögerungsleitung bestimmten Wiederholungsfrequenz erzeugt werden.
6. Anordnung nach Ansprüchen 1 oder 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ende der erwähnten Verzögerungsleitung mit der erwähnten Belastungsimpedanz gekoppelt ist und daß ihr anderes Ende zum Reflektieren eines Impulses nach der Belastungsimpedanz eingerichtet ist, um somit einen verzögerten Impuls umgekehrter Polarität über die Belastungsimpedanz anzulegen, um eine weitere Entladung einzuleiten.
7. Anordnung nach Ansprüchen 1 oder 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ende der erwähnten Verzögerungsleitung mit der erwähnten Belastungsimpedanz und daß das andere Ende mit einer weiteren im Emitterzweig des Transistors geschalteten Impedanz gekoppelt ist, so daß ein verzögerter Impuls dieser weiteren Impedanz zugeführt wird, um eine weitere Entladung einzuleiten.
8. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzfrequenz des erwähnten Resonanzkreises ein Vielfaches der durch die erwähnte Verzögerungsleitung bestimmten Impulswiederholungsfrequenz ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
RCA-Review, März 1955, S. 16 bis 33.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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